Паровые котлы ТЭС

Температурный режим по периметру сечения канала

На рис. 10.8 показаны поля воспринятой теплоты по наружной поверхности при одно­стороннем обогреве применительно к услови­ям работы топочных экранов для сечений труб двух типов: гладкой и плавниковой с симме­тричными плавниками. Из рис. 10.8 следует, что, несмотря на различие в распределении тепловых потоков по периметрам гладкой и плавниковых труб, тепловая нагрузка в окрестности лобовой точки у них примерно одинакова. Различие в тепловой нагрузке по периметру у обеих труб приводит к растечке теплоты по металлу от лобовой зоны, где теп­ловая нагрузка выше, к тыльной части, где она существенно ниже. У плавниковой трубы, кроме того, теплота перетекает вдоль плавни­ка— от вершины к его основанию (корню). В результате тепловая нагрузка под корнем плавника существенно возрастает и при опре­деленных условиях температура в этой зоне поперечного сечения может оказаться больше, чем на лобовой стенке.

Для надежной работы металла важно, что­бы отвод теплоты от поверхности нагрева про­текал при приемлемой температуре стенки, т. е. температуре, допускающей длительную нормальную работу металла. Под расчетной температурой металла труб tcт понимается наибольшее местное значение температуры стенки, вычисленное с учетом неравномерно - стей тепловосприятия по сечению газохода и периметру трубы, растечки теплоты по стен­ке, гидравлической и конструктивной нетож­дественности змеевиков.

Гладкие трубы. При равномерном тепловом поле трубы температура стенки на ее вну­тренней стороне зависит от температуры ра­бочей среды /р. с, интенсивности обогрева q (на внутренней поверхности <7вн), коэффици - циента теплоотдачи от внутренней стенки к рабочей среде аг и в отсутствие внутренних отложений определяется по формуле

В основу расчета длительной прочности труб принимается средняя по толщине темпе­ратура металла стенки

Температура наружной поверхности стен­ки трубы выше средней. Она служит для оценки вероятности окалинообразования. С учетом термического сопротивления стенки для равномерно обогреваемой по всему пери­метру трубы она определяется по формуле

Кроме известных уже величин, здесь бет Яст — толщина и теплопроводность стенки; P=dH/dBH — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему.

Для работы металла при заданном зна­чении а2 наиболее неблагоприятно сочетание высокой температуры рабочей среды и интен­сивного обогрева. Поэтому при оценке надеж­ности работы металла поверхностей нагрева проверяют температуру стенки при различных сочетаниях /Р. с и q, имеющих место в каждой конкретной конструкции.

Температурное поле может быть неодина­ковым по периметру поперечного сечения, если неравномерен подвод теплоты к наружной поверхности (односторонний обогрев топоч­ных экранов, поперечное обтекание труб кон­вективных поверхностей) или неравномерный отвод теплоты от внутренней поверхности (расслоение потока по фазам при ДКД или по плотности при СКД). Неравномерное поле температуры в поперечном сечении канала приводит к растечке теплоты по стенке от участков с наибольшей температурой к участ­кам, где температура металла ниже. С учетом растечки теплоты формула приобретает вид:

Где <7макс — тепловая нагрузка в точке макси­мального тепловыделения; ц — коэффициент растечки (перетока) теплоты по сечению трубы.

Под коэффициентом растечки в данной точке трубы понимают отношение истинной
температуры к температуре, которая была бы при равномерном обогреве трубы тепло­вым ПОТОКОМ *7макс.

Наиболее существенна неравномерность температурного поля в горизонтальных тру­бах при ДКД и трубах любой ориентации, работающих в зоне больших теплоемкостей рабочей среды при СКД.

При СКД в сравнительно узком диапазоне температуры происходит весьма существенное изменение теплофизических свойств рабочей среды (рис. 9.6). В условиях обогрева верти­кальных труб это приводит к градиенту плот­ности по радиусу с образованием области меньшей плотности и теплопроводности, при­мыкающей к теплообменной поверхности, где температура выше. По этой причине снижа­ется интенсивность теплоотдачи и ухудшается температурный режим поверхности нагрева.

В горизонтальных трубах диаметром более 15—20 мм даже в условиях равномерного обо­грева по периметру внутренний теплообмен в верхней части намного хуже, чем в нижней, что обусловлено асимметрией потока смеси вследствие влияния гравитационных сил. По­этому диапазон ухудшенного теплообмена в горизонтальных трубах больше, чем верти­кальных. В наклонных трубах даже при рав­номерном обогреве по периметру при опреде­ленных условиях также может возникнуть несимметричное течение двухфазного потока, приводящее к ухудшению теплоотдачи в верх­ней части трубы. Поэтому в наклонных тру­бах область ухудшенного теплообмена больше по сравнению с вертикальными, но меньше, чем в горизонтальных.

При ДКД и расслоенном режиме течения теплообмен несимметричен и температуры сте­нок верхней и нижней образующих трубы раз­личны (рис. 10.9). Он у верхней образущей трубы хуже, чем у нижней, где температура стенки близка к температуре на­сыщения. Это связано с режимами течения двухфазного потока в горизонтальных трубах, в которых под воздействием гравитационных сил поток расслаивается (см. § 9.3). Обра­зующиеся при расслоении волны периодиче­ски захлестывают перегретую стенку. Повто­ряющиеся всплески воды вызывают резкое охлаждение. Переменная температура приво­дит к повреждениям усталостного характера, Поэтому в котлах с естественной. циркуляци­ей, характеризующихся малой скоростью по­тока в парообразующих трубах, горизонталь^ ные трубы не обогревают. В прямоточных кої - лах скорость потока существенно выше и потому в широком диапазоне нагрузок рас­слоение не возникает.

Перегрев At верхней образующей трубы по сравнению с нижней при расслоении не­сколько уменьшается из-за растечки (пере­тока) теплоты по сечению трубы с увеличе­нием толщины стенки и ее теплопроводности.

При СКД в горизонтальных трубах рабо­чая среда расслаивается по плотности в вер­тикальном направлении. Поэтому при прочих равных условиях температура стенки верхней образующей трубы больше температуры стен­ки вертикальной трубы. Отношение агор7аверт зависит от энтальпии потока и параметра qlwp (рис. 10.10).

Плавниковые трубы. Ранее уже отмечалось, что при одинаковых условиях обогрева тепло­вая нагрузка в окрестности лобовой точки гладкой и плавниковой труб примерно одина­кова. Это позволяет вести расчет температу­ры стенки лобовой образующей плавниковых труб топочных экранов (односторонний и оди­наковый обогрев параллельных труб) так же, как и для гладких труб [см. формулу (10.12)].

Для оценки надежности важно знать тем­пературу металла в вершине плавника, кото­рая по данным [58] применительно к симме­тричному полю температур (одинаковый диа­метр свариваемых труб; температуры среды и коэффициенты теплоотдачи аг у обеих труб одинаковы) записывается в виде

По условиям обеспечения необходимой массовой скорости потока часто применяются многоходовые гидравлические системы в виде отдельных панелей или секций, через которые рабочая среда проходит, последовательно по­вышая свою энтальпию и температуру. Вместе с тем по отношению к теплоносителю (про­дуктам сгорания) эти панели располагаются параллельно и получают практически одина­ковое количество теплоты. В этих условиях возникает несимметричное поле температур крайних труб соседних панелей. Если эти тру­бы свариваются между собой, как это имеет место в газоплотных экранах, то в них возни­кают значительные температурные напряже­ния из-за разности температур стыкуемых плавников. Эти напряжения могут явиться причиной повреждения свариваемых панелей.

Для газоплотных экранов с тепловой асим­метрией возникает задача о распределении температуры в мембранной панели. Для реше­ния такой задачи применяют принцип супер­позиции: при сложении внешних воздействий складываются и результаты от этих воздейст­вий. Количество теплоты, воспринимаемой плавниковой трубой, складывается из двух составляющих: количества теплоты на цилин­дрическом участке (от лобовой точки до кор­ня плавника) и в плавнике. В каждом из этих участков создается свое индивидуальное поле температур, а их суммирование образует тем­пературное поле плавниковой трубы.

При решении задачи в условиях тепловой симметрии (рис. 10.11,а) предполагается, что количество теплоты, воспринимаемой пере­мычкой, распределяется между трубами по­ровну, а максимум температуры находится на ее середине. При тепловой асимметрии {рис. 10.11,6) максимум температуры сдвинут в сторону трубы с меньшим температурным

Уровнем и распределение теплоты между тру­бами с общей перемычкой будет неодинако­вым. Эта теплота между трубами распреде­лится пропорционально длинам отрезков пе­ремычки, на которые она делится точкой мак­симума температуры: для трубы с более высоким уровнем температуры длина тН, для трубы с меньшей температурой (1—т)Н. В соответствии с принятой терминологией т — коэффициент смещенности максимума температуры. Расчет коэффициента смещен­ности приводится в специальной литературе [58].

Температурный режим плавниковой трубы определяется ее тепловыми и геометрическими параметрами. Характерные температурные по­ля показаны в виде избыточных температур (рис. 10.12), т. е. разностей температур ме­талла и среды по развертке половины трубы. Для всех зависимостей характерно, что тем­пература в лобовой зоне трубы и на вершине плавника имеет наибольшие значения. Меж­ду ними температура монотонно убывает от лобовой точки к плавнику. У края плавника температура существенно повышается, а по мере приближения к тыльной зоне трубы убывает.

Влияние отложений на температурный ре­жим поверхностей нагрева. Ранее рассматри­вался температурный режим чистых (без от­ложений) поверхностей нагрева. Такие усло­вия обеспечиваются правильной организацией протекания процессов получения пара. Вме­сте с тем в эксплуатации почти всегда су­ществует потенциальная угроза образования отложений примесей, находящихся в воде

Рис. 10.12. Распределение температуры по наружной поверхности плавниковой трубы настенного экрана при различных значениях внутреннего коэффициента тепло­отдачи а2(а'2<а22<а32) (а) и относительного шага s/iXfs^s^s3) (б).

В растворенном и взвешенном состояниях (см. гл. 14 и 15).

При наличии отложений на внутренней поверхности нагрева температура стенки опре­деляется по формуле

(10Л7)

Чем больше слой отложений ботл и мень­ше ИХ теплопроводность Аотл, тем больше тер­мическое сопротивление переходу теплоты от стенки к рабочей среде через этот слой, тем выше температура стенки. Теплопроводность отложений зависит от состава примесей в во­де и колеблется в очень широких пределах: от 0,1—0,5 Вт/(м-К) для минеральных и до 3—5 Вт/(м-К) для железоокисных отложе­ний. Поскольку теплопроводность отложений существенно ниже теплопроводности метал­ла, поэтому даже небольшие отложения при толщине слоя в десятые доли миллиметра и интенсивном обогреве, характерном для то­почных экранов, могут приводить к высоким значениям температур, недопустимым по условиям надежной работы металла поверх­ностей нагрева. Слой отложений растет со временем работы агрегата, и это ограничивает длительность непрерывной его работы. По­этому одной из важнейших задач является предотвращение или ограничение образования отложений на поверхностях нагрева со сторо­ны рабочей среды (подробно — см. гл. 15).

10.5. особенности теплообмена в парообразующих установках аэс

Удельные тепловые нагрузки на поверхности твэлов достигают очень высоких значений (1000 кВт/м2 и бо­лее). При столь высоких тепловых нагрузках расши­ряется вероятность возникновения ухудшенных режи­мов охлаждения твэлов.

Парогеиерирующие каналы реакторов имеют слож­ную форму. В реакторостроении широкое применение получили поверхности нагрева, выполненные в виде пучков выделяющих теплоту стержней, между которы­ми проходит теплоноситель и омывает их продольно.

Особенности геометрии мсжстержневых каналов оказывают существенное влияние на гидродинамику рабочей среды: расходы по ячейкам стержневого пучка могут оказаться неодинаковыми, неодинакова также скорость рабочей среды по сечению каждой индиви­дуальной ячейки. Поэтому условия охлаждения стерж­ней по периметру могут оказаться различными. При неодинаковом теплоподводе, всегда имеющем место по сечению активной зоны, особенно в условиях ин­тенсивного обогрева и характерном для атомных реак­торов, различие в расходах рабочей среды в ячейках и по периметру стержней приводит к различию удель­ного тепловосприятия dq/d(wp) (на единицу расхода охлаждающей жидкости) и возникновению температур­ных градиентов между стержнями. Отсутствие актив­ного турбулентного обмена жидкости между ячейками через малые межстержневые зазоры могут еще в боль­шей степени повлиять на распределение поля скоростей рабочей среды из-за возникновения деформации — про­гиба стержней под действием температурных гради­ентов.

Основными параметрами, влияющими на критиче­ский тепловой поток, при котором возникает ухудшен­ный температурный режим поверхностей нагрева, яв­ляются: паросодержание х, массовая скорость wp и давление р. Для системы параллельных каналов ки­пящего реактора эти параметры являются средними, если каждый из них получает одинаковое количество рабочей среды, так что качественная картина кризиса в пучках стержней остается той же, что и в трубах, но количественные соотношения оказываются существенно иными. Различие в удельном тепловыделении или теп- ловосприятии в отдельных ячейках с учетом всех гео­метрических особенностей сборок и условий их эксплуа­тации приводит к неравномерностям расхода wp и па­росодержания х. В результате в силу убывающей за­висимости qHV от х более вероятно возникновение кри­зиса кипения в межтрубном зазоре при предельных паросодержаниях, более низких, чем в трубах.

Для обеспечения возможности увеличения мощно­сти канала на его выходном участке устанавливают завихрители потока различной конструкции; часто они выполнены заодно с дистанционирующими элементами. Под действием завихрителей находящиеся в ядре пото­ка капли воды отбрасываются к стенке, пополняя дви­жущуюся по ней пленку жидкости. В итоге кризис, свя­занный с высыханием жидкой пленки, затягивается, и становится возможной работа парогенерирующего ре­актора с повышенным паросодержанием смеси на вы­ходе.

Расчетные методы определения теплоотдачи при турбулентном течении недогретой до кипения жидко­сти в каналах с правильными решетками стержневых пучков базируются на экспериментальных исследо­ваниях.

В парогенераторах, работающих в комплекте с ре­акторами, охлаждаемыми водой под давлением, а так­же с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемых натрием, рабочее тело в процессе испарения проходит все те же стадии, что и в паровых котлах на орга­ническом топливе. Важно только иметь в виду, что ухудшение теплоотдачи в этнх парогенераторах не при­водит к выходу аппаратов из строя, так как темпера­тура их элементов не может превысить температуру греющего теплоносителя. Однако увеличение протяжен­ности закризисной зоны, где интенсивность теплоотдачи низка (см. § 10.2), ведет к увеличению габаритов па­рогенератора или снижению его производительности.

Кроме того, в зоне высыхания жидкой пленки теп - лопередающая стенка попеременно омывается то жидкостью, то паром. Возникающие пульсации темпе­ратуры стенки (при обогреве жидким металлом они могут быть весьма значительными) порождают пере­менные напряжения в металле, что в итоге может при­вести к образованию трещин в трубах.

Все эти явления возможны в парогенераторах, в которых рабочая среда движется в узких ячейках канала или самих каналах большой протяженности.

Вместе с тем кризис кипения в активной зоне ре­актора чрезвычайно опасен. Поэтому для предотвра­щения возможности его возникновения в ВВЭР тепло­носитель первого контура имеет температуру на не­сколько десятков градусов ниже температуры кипения (запас до кипения).

Глава одиннадцатая

ГИДРОДИНАМИКА РАЗОМКНУТЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

11.1. классификация разомкнутых гидравлических систем

Основные схемы разомкнутых гидравличе­ских контуров поверхностей нагрева показаны на рис. 11.1. Для любой схемы надежность парогенерирующих каналов в большой степе­ни зависит от устойчивости движения, т. е. постоянства расхода рабочей среды через па­раллельные трубы и каналы. При определен­ных режимных условиях (давление, массовая скорость, энтальпия среды на входе, интенсив­ность обогрева) в зависимости от конструкции парообразующих каналов в них может возни­кать неустойчивое движение потока — пере­менные расходы. Различают статическую и динамическую неустойчивость. Так как не­устойчивость сама по себе является динами­ческим процессом, понятие статическая не­устойчивость условно.

В статически неустойчивом режиме расхо­ды через отдельные трубы (каналы) не толь­ко различны, но изменяются и во времени со значительной частотой. Расходы в различ­ных трубах могут оказаться недостаточ­ными по условиям теплообмена. Переменные условия охлаждения труб и колебания тем­пературы стенки вызывают тепловую уста­лость металла. В ряде случаев, особенно при переменных или нерасчетных режимах эксплу­атации, может возникать динамическая не­устойчивость движения (колебательная не­устойчивость), выражающаяся в недопусти­мых пульсациях потока, приводящих из-за переменных расходов рабочей среды к умень­шению критических тепловых нагрузок, цик

Лическим изменениям температуры обогре­ваемой стенки и в конечном итоге к аварий­ным ситуациям.

Поэтому из всех причин, вызывающих ги­дравлическую неравномерность, а следова­тельно, и тепловую разверку, требуют особого рассмотрения влияние нестабильности гидро­динамической характеристики, пульсация по­тока и влияние коллекторов на распределе­ние потока по параллельным трубам. Пере­пад давления в обогреваемых трубах пред­ставляется в виде суммы Др=Дртр+Дрм + + ДрУск±Дрнив (см. § 9.4). Обозначая гидрав­лические сопротивления ДРг=ДРтр + АРм, за­пишем:

Др=Дрг + ДруСк±Дрнив. ■ (11.1)

В прямоточных котлах с горизонтальными и слабонаклонными трубами (рис. 11.1,а) длина каждой трубы L достигает сотен мет­ров, труба имеет большое число гибов и по­тому для них характерно значительное ги­дравлическое сопротивление Арг. Нивелирная составляющая А^нив полного перепада давле­ния в таком контуре невелика ввиду малой высоты контура в сравнении с развернутой длиной труб H<^L. Сопротивление, вызван­ное ускорением потока Ару0к, также невели­ко, особенно при высоком давлении. Следова­тельно, для контура с горизонтальным и сла­бонаклонным расположением труб полный перепад давления определяется гидравличе­ским сопротивлением

Ар^Арг - (11.2)

Отличительная особенность контуров с вертикальным подъемным и вертикальным подъемно-опускным движением рабочей сре­ды (рис. 11.1,6—д)—малое число ходов и потому относительно малая длина труб и ма­лое число гибов. Гидравлическое сопротивле­ние таких систем невелико. Однако ввиду вертикального расположения труб нивелир­ный напор составляет уже существенную часть полного перепада давления, особенно при малых нагрузках, когда вклад гидравли­ческого сопротивления существенно меньше, тогда

Ар=Арт±Ар иив - (11.3)

Соотношение между Apr и Дрнив в полном перепаде давления оказывает существенное влияние на гидравлическую устойчивость по­тока в прямоточных элементах. Гидравличе­ская устойчивость потока описывается гидрав­лической характеристикой, выражающей связь между расходом рабочей среды G и полным перепадом давления Ар, возникаю­щим при ее движении, Ap=f(G). При одина­ковом диаметре всех труб элемента гидрав-

Лическая характеристика изображается в функции массовой скорости Ap=f(wp).

Гидравлическая характеристика может быть однозначной, если общему перепаду дав­ления в системе труб отвечает только один расход рабочей среды (рис. 11.2 кривая 1) и многозначной, когда общему перепаду давле­ния соответствуют два и более различных рас­хода (кривая 2).

Природа неоднозначности гидравлической характеристики: изменение теплофизических свойств рабочей среды — удельного объема при переходе от одного расхода к другому (см. § 11.2) и влияние нивелирного напора (см. § 11.3). Положение осложняется еще тем, что влияние нивелирного напора различно при подъемном и опускном движении среды. Все это приводит к сложным аналитическим зависимостям, которые представляются гра­фически для каждого конкретного обеъкта: гидравлическая схема, геометрические пара­метры трубной системы, давление, энтальпия рабочей среды на входе и др.

Независимо от схемы гидравлическая ра­бота контура описывается гидравлической ха­рактеристикой. Учитывая, однако, описанные выше особенности гидравлических систем с горизонтальными и вертикальными канала­ми, гидравлические характеристики этих си­стем рассматривают раздельно.